传感器原理与应用技术_刘爱华第二版_1 概述

1、同学们好！课 程 概 述传感器基础知识应变式传感器电容式传感器电感式传感器压电式传感器热电式传感器磁敏式传感器光电式传感器其他传感器传感器与微机接口技术主要内容教学基本要求学会传感器的基础知识。掌握各类传感器的基本特性和工作原理、典型测量电路。了解各类传感器的典型应用。第1章 传感器的基本概念1.1 学习传感器的重要性1.2 传感器的组成与分类 1.3 传感器的数学模型概述1.4 传感器的基本特性1.5 传感器的标定与校准1.1 学习传感器的重要性 传感器处于研究对象与测试系统的接口位置,即检测与控制系统之首。因此，传感器成为感知、获取与检测信息的窗口，一切科学研究与自动化生产过程要获取的信息

2、，都要通过传感器获取并通过它转换为容易传输与处理的电信号。所以，80年代以来，世界各国都将传感器技术列为重点发展的高技术，倍受重视。 传感器技术是材料学、力学、电学、磁学、微电子学、光学、声学、化学、生物学、精密机械、仿生学、测量技术、半导体技术、计算机技术、信息处理技术、乃至系统科学、人工智能、自动化技术等众多学科相互交叉的综合性高新技术密集型前沿技术，广泛应用于航空航天、兵器、信息产业、机械、电力、能源、交通、冶金、石油、建筑、邮电、生物、医学、环保、材料、灾害预测预防、农林渔业、食品、烟酒制造、汽车、舰船、机器人、家电、公共安全等领域。 传感器技术与通信技术、计算机技术构成信息科学技术的

3、三大支柱。 21世纪是人类全面进入信息电子化的时代，随着人类探知领域和空间的拓展，使得人们需要获得的自然信息的种类日益增加，需要信息传递的速度加快，信息处理能力增强，因此要求与此相对应的信息获取技术即传感技术必须跟上信息化发展的需要。传感器的主要应用信息处理电信电话科技测试设备控制交通控制输电系统机床机器人家用电器照相机汽车飞机船舶气象海洋环境污染医疗防火光能利用热能利用土木建筑农林机械能利用货币金融食品11155110103473659816127783431 3147111707693612621242014需要量 在电力、冶金、石化、化工等流程工业中，生产线上设备运行状态关系到整个生产线

4、流程。通常建立24小时在线监测系统。 石化企业输油管道、储油罐等压力容器的破损和泄露检测。1、自动检测与自动控制系统在汽车、机床、电机、发动机等产品出厂时，必须对其性能质量检测。 图示为汽车出厂检验原理框图，测量参数包括润滑油温度、冷却水温度、燃油压力及发动机转速等。通过对抽样汽车的测试，工程师可以了解产品质量。汽车扭距测量机床加工精度测量2、汽车与传感器汽车需要用传感器对温度、压力、位置、距离、转速、加速度、湿度、电磁、光电、振动等进行实时准确的测量，一般需要几十种传感器。3、传感器与家用电器自动电饭锅、吸尘器、空调器、电子热水器、风干器、电熨斗、电风扇、洗衣机、洗碗机、照相机、电冰箱、电视

5、机、录像机、家庭影院全自动洗衣机中的传感器：衣物重量传感器，衣质传感器，水温传感器，水质传感器，透光率光传感器(洗净度) 液位传感器，电阻传感器(衣物烘干检测)。指纹传感器透光率传感器温湿度传感器温度传感器鼠标:光电位移传感器摄象头:CCD传感器声位笔:超声波传感器麦克风:电容传声器声卡:A/D卡 + D/A卡软驱:速度,位置伺服PC机中的测试技术应用楼宇控制与安全防护为使建筑物成为安全、健康、舒适、温馨的生活、工作环境，并能保证系统运行的经济性和管理的智能化。在楼宇中应用了许多测试技术，如闯入监测、空气监测、温度监测、电梯运行状况。 图示为某公司楼宇自动化系统。该系统分为：电源管理、安全监测

6、、照明控制、空调控制、停车管理、水/废水管理和电梯监控。烟雾传感器亮度传感器人体探测器机械手、机器人中的传感器 转动/移动位置传感器、力传感器、视觉传感器、听觉传感器、接近距离传感器、触觉传感器、热觉传感器、嗅觉传感器。 4、传感器在机器人上的应用机器狗机器人服务员AGV自动送货车 超声波测距传感器、判断建筑物内人和物所在位置；红外线色彩传感器运动轨迹和AGV小车位置识别；条形码传感器，货品识别。香港理工AGV模型5、传感器在生物医学上的应用对人体的健康状况进行诊断需要进行多种生理参数的测量。 国内已经成功地开发出了用于测量近红外组织血氧参数的检测仪器。人类基因组计划的研究也大大促进了对酶、免

7、疫、微生物、细胞、DNA、RNA、蛋白质、嗅觉、味觉和体液组份以及血气、血压、血流量、脉搏等传感器的研究。 医学手环产品GrandBand小米手环Fuel Band SEGear FitLife bandTalk Band 市售智能手环产品还有：微软Fitbit FlexMisfitUP24SONYbong2OPPOTCL畅玩咕咚手环vivofit360儿童卫士运动监测、睡眠监测、健康监测、智能提醒、安全定位、手机伴侣、社交、运动数据云储存、时间显示、电子ID麦克风、3轴加速计、陀螺仪、光线感应器、体温计、紫外线传感器，电容传感器、光学心率计、GPS、可测量紧张程度的皮肤电反应探测器以及新增加

8、的气压计光纤流速传感器荧光材料制作的电子鼻传感器生物酶血样分析传感器热/光电量6、传感器与航空及航天飞行器：控制在预定轨道上速度、加速度、飞行距离测量周围环境、内部设备监控、本身状态陀螺仪、阳光传感器、星光传感器、地磁传感器航天7、传感器与环境保护 保护环境和生态平衡，实现可持续发展，必须进行大气监测和江河湖海水质检测，需要大量用于污水流量、PH值、电导、浊度、COD、BOD、TP、TN、矿物油、氰化物、氨氮、总氮、总磷、金属离子浓度特别是重金属离子浓度以及风向、风速、温度、湿度、工业粉尘、烟尘、烟气、SO2、NO、O3、CO等参数测量的传感器，这些传感器中大多数亟待开发。 NOX NO +

9、NO2dust sootH2SH2OHC C-totalCO2 COO2 HCN HCl HF NH3 SO2 烟尘浊度测量8、传感器与遥感技术飞机及航天飞行器：近紫外线、可见光、 远红外线、微波船舶：超声波传感器微波红外接收传感器红外线分布差异矿藏埋藏地区地 面9、传感器在军事技术领域的应用 先进的科学技术总是最先被应用于战争。 以坦克、飞机、军舰为标志的作战平台是传统的主战兵器，各类传感器不过是配属的保障设施。 而当前由信息技术发展推动的军事革命把重点从作战平台转向如何观察战场、怎样传递所观察到的战场情况、怎样运用那些性能优越的精确武器的问题上来，从重视军舰、坦克和飞机转为重视信息获取技术

10、和信息获取装置的作用，传感器、通信以及精确制导武器等已在战争中至关重要的作用。 海湾战争中，伊拉克在科威特战区部署了4280辆坦克，多国部队只有3800辆坦克。 但结果是伊拉克的坦克89被毁，而多国部队的坦克仅损失20辆。这种悬殊的损毁比，正是由于双方信息优势及精确制导武器方面的明显差距造成的。 由近期的几场高技术条件下的局部战争可以看到，随着新军事革命浪潮的到来，高度信息化的武器平台已经开始发挥战场主导作用。 数字化战争需要利用全方位、多手段的传感器系统感知和收集战场各种信息，对这些信息进行判读、分析、综合与管理，实现“传感器-控制器-武器”一体化。 战场生物传感器不但能准确识别各种生化战剂

11、，而且可与计算机配合，及时提出最佳防护和治疗方案，还可通过测定炸药、火箭推进剂的降解情况来发现敌人库存弹药的数量和位置，成为侦察的有效手段。 21世纪的农业将是知识密集、技术密集的产业，设施农业可以有效提高农业生产效益和增强抗灾能力，借助温室及其配套装置来调节和控制作物生产环境条件，摆脱自然制约，以达到高产、高效、优质。 信息获取手段是实现高水平设施农业的关键技术之一，设施农业用传感器的品种较多，主要用于温度、湿度、土壤干燥度、CO2、光照度、土壤养分等参数的测量。信息获取技术还在农田和果园生产、农业生物学研究、农药残留量检测等方面得到了广泛的应用。 10、传感器与农业农业1.2 传感器的组成

12、与分类1.2.1 传感器的定义1.2.2 传感器的组成1.2.3 传感器的分类 将被测非电量信号转换为与之有确定对应关系电量输出的器件或装置叫做传感器，也叫变换器、换能器或探测器。 1.2.1 传感器的定义39 1.2.2 传感器的组成敏感元件辅助电路传感元件 被测非电量 有用非电量有 用电 量信号调节转换电路电 量图1-1 传感器组成框图敏感元件：直接感受被测非电量并按一定规律转换成与被测量有确定关系的其它量的元件。传感元件：又称变换器。能将敏感元件感受到的非电量直接转换成电量的器件。敏感元件传感元件压力传感器示例信号调节与转换电路：能把传感元件输出的电信号转换为便于显示、记录、处理、和控制

13、的有用电信号的电路。常用的电路有电桥、放大器、变阻器、振荡器等。辅助电路通常包括电源等。441.2.3 传感器的分类1按工作机理分类：根据物理和化学 等学科的原理、规律和效应进行分类2按被测量分类：根据输入物理量的 性质进行分类。3按敏感材料分类：根据制造传感器 所使用的材料进行分类。可分为半 导体传感器、陶瓷传感器等。基本物理量派生物理量位移线位移长度、厚度、应变、振动、磨损、不平度等角位移旋转角、偏转角、角振动等速度线速度速度、振动、流量、动量等角速度转速、角振动等加速度线加速度振动、冲击、质量等角加速度角振动、扭矩、转动惯量等力压力重量、应力、力矩等时间频率周期、记数、统计分布等温 度热

14、容量、气体速度、涡流等光光通量与密度、光谱分布等4. 按能量的关系分类：根据能量观点 分类，可将传感器分为有源传感器 和无源传感器两大类。有源传感器是将非电能量转换为电能量，称之为能量转换型传感器，也称换能器。通常配合有电压测量电路和放大器。如:压电式、热电式、电磁式等。无源传感器又称为能量控制型传感器。被测非电量仅对传感器中的能量起控制或调节作用。所以必须具有辅助能源(电能)。如:电阻式、电容式和电感式等。5. 其他：按用途、学科、功能和输出 信号的性质等进行分类。从系统角度看，一种传感器就是一种系统。而一个系统总可以用一个数学方程式或函数来描述。即用某种方程式或函数表征传感器的输出和输入的

15、关系和特性，从而，用这种关系指导对传感器的设计、制造、校正和使用。 通常从传感器的静态输入-输出关系和动态输入-输出关系两方面建立数学模型。1.3 传感器的数学模型概述1.3.1 静态模型 静态模型是指在输入信号不随时间变化的情况下，描述传感器的输出与输入量的一种函数关系。如果不考虑蠕动效应和迟滞特性，传感器的静态模型一般可用多项式来表示： 1.3.2 动态模型 动态模型是指传感器在准动态信号或动态信号作用下，描述其输出和输入信号的一种数学关系。 动态模型通常采用微分方程和传递函数描述。 1 .微分方程 大多数传感器都属模拟系统之列。描述模拟系统的一般方法是采用微分方程。在实际的模型建立过程中

16、，一般采用线性常系数微分方程来描述输出量 y和输入量 x 的关系。 其通式如下：an,an-1a0和bm,bm-1b0 为传感器的结构参数。除b0 0外，一般取b1,b2bm为零. 2. 传递函数如果y(t)在t0时， y(t) =0，则y(t) 的拉氏变换可定义为 式中s=+j，0。 对微分方程两边取拉氏变换，则得定义输出y(t)的拉氏变换Y(S)和输入x(t)的拉氏变换X(S)的比为该系统的传递函数H(S)，则对y(t)进行拉氏变换的初始条件是t0时， y(t)=0。对于传感器被激励之前所有的储能元件如质量块、弹性元件、电气元件等均符合上述的初始条件。55对于多环节串、并联组成的传感器，若

17、各环节阻抗匹配适当，可忽略相互间的影响，传感器的等效传递函数可按代数方式求得。显然H(s)与输入量x(t)无关，只与系统结构参数有关。因而H(s)可以简单而恰当地描述传感器输出与输入的关系。56若传感器由r个环节串联而成 对于较为复杂的系统，可以将其看作是一些较为简单系统的串联与并联。57若传感器由p个环节并联而成1.4 传感器的基本特性1.4.1 静态特性 1线性度：输出量与输入量之间的实际关系曲线偏离直线的程度。又称非线性误差。可用下式表示:max输出量与输入量实际曲线与拟合直线之间的最大偏差yFS输出满量程值传感器的静态模型有三种有用的特殊 形式：（1） 理想的线性特性（2） 仅有偶次非

18、线性项（3） 仅有奇次非线性项（1） （2） （3）三种形式所呈现的非线性程度 图1-2 三种特殊形式的特性曲线 2.灵敏度：在稳态下输出增量与输入增量的比值： 对线性传感器，其灵敏度就是它的静态特性的斜率：非线性传感器灵敏度是一个变量，只能表示传感器在某一工作点的灵敏度。 3.重复性： 输入量按同一方向作全程多次测试时，所得特性曲线不一致的程度。 图1-3 重复性yx0Rmax2Rmax14.迟滞（回差滞环）现象：表明传感器在正向行程和反向行程期间，输出-输入特性曲线不重合的程度。H0 x yyFS xFS图1-4 迟滞特性64对于同一大小的输入信号x，在x连续增大的行程中，对应某一输出量y

19、i，与在x连续减小的行程中，对应某一输出量yd之间的差值叫滞环误差，即所谓的迟滞现象。在整个测量范围内产生的最大滞环误差用m表示，它与满量程输出值的比值称最大滞环率：5分辨率与阈值 ：传感器在规定的范围所能检测输入量的最小变化量。阈值是使传感器的输出端产生可测变化量的最小被测输入量值，即零点附近的分辨力。6稳定性：在室温条件下，经过相当长的时间间隔， 传感器的输出与起始标定时的输出之间的差异。7漂移：在外界的干扰下，输出量发生与输入量无关的、不需要的变化。漂移包括零点漂移和灵敏度漂移 。零点漂移和灵敏度漂移又可分为时间漂移和温度漂移。时间漂移是指在规定的条件下，零点或灵敏度随时间的缓慢变化。

20、温度漂移为环境温度变化而引起的零点或灵敏度漂移。8静态误差（精度） 静态误差是传感器在其全量程内任一点的输出值与其理论输出值的偏离程度。求静态误差是把全部校准数据与拟合直线上对应值的残差看成是随机分布，求出其标准偏差，取2或3值即为传感器的静态误差。或用相对误差表示：也可以由非线性误差、迟滞误差、重复性误差这几个单项误差综合而得，即1. 动态误差在动态的输入信号情况下，输出与输入间的差异即为动态误差。 1.4.2 动态特性 图1-5 热电偶测温过程测试曲线动态误差TtTT0tt0例：用一只热电偶测量某一容器的液体温度T，若环境温度为T0，把置于环境温度之中的热电偶立即放入容器中（若TT0)。（

21、1）阶跃响应 2. 研究传感器动态特性的方法及其指标当给静止的传感器输入一个单位阶跃函数信号 （1-17）时，其输出特性称为阶跃响应特性。图1-6 阶跃响应特性tdtrtpppts00.100.500.901.00y(t)t最大超调量p延滞时间td上升时间tr峰值时间tp响应时间ts 最大超调量p： 响应曲线偏离阶跃曲线的最大值。 当稳态值为1，则最大百分比超调量为： 延滞时间td：阶跃响应达到稳态值50%所需要的时间。 上升时间tr： A响应曲线从稳态值10%90%所需要的时间。 B响应曲线从稳态值5%95%所需要的时间。 C响应曲线从零到第一次到达稳态值所需要的时间。 对有振荡的传感器常用

22、C，对无振荡的传感器常用A。 峰值时间tp： 响应曲线到第一个峰值所需要的时间。 响应时间ts： 响应曲线衰减到稳态值之差不超过5%或2%时所需要的时间。有时称过渡过程时间。（2）频率响应在定常线性系统中，拉氏变换是广义的傅氏变换，取s=+j中的=0，则s=j，即拉氏变换局限于s平面的虚轴，则得到傅氏变换： 同样有： H（j）称为传感器的频率响应函数。 H（j）是一个复函数，它可以用指数形式表示，即即 A()称为传感器的幅频特性，也称为传感器的动态灵敏度（或增益）。A()表示传感器的输出与输入的幅度比值随频率而变化的大小。其中 若以 分别表示H（j）的实部和虚部，则频率特性的相位角:（）表示传

23、感器的输出信号相位随频率而变化的关系。对于传感器 通常是负的，表示传感器输出滞后于输入的相位角度，而且 随而变，故称之为传感器相频特性。3. 典型环节传感器系统的动态响应分析（1）零阶传感器系统由（1-2）式，零阶系统的微分方程为或零阶传感器的传递函数和频率特性为：（2）一阶系统的动态响应分析一阶系统微分方程：对上式进行拉氏变换，得则传递函数为时间常数，静态灵敏度其中频率响应函数幅频特性：相频特性：讨论：越小，频率响应特性越好。负号表示相位滞后越小，阶跃响应特性越好。若输入为阶跃函数一阶系统微分方程 的解为：讨论：tx01输出的初值为0,随着时间推移y接近于1；当t=时,在一阶系统中,时间常数

24、值是决定响应速度的重要参数。图 1-7 一阶传感器CKK x(t) =F(t)y(t)例1-1：由弹簧阻尼器构成的压力传感器，系统输入量 为F(t) = Kx (t)，输出量为位移y(t )，分析系统的频率响应特性。解：根据牛顿第二定律： fC+fK=F(t) 或 由（1-29）式为时间常数令H(S )中的s =j,即= 0，则系统的频率响应函数H（j）为 由(j)可以分析该系统的幅频特性Aj）和相频特性（j） ：例1-2：一阶测温传感器系统中，已知敏感部分的质量为m，比热为c，表面积为s，传热系数为h（w/ m2k）。给出输入量T0与输出量T之间的微分方程，并推导其幅频特性、相频特性及阶跃响

25、应特性。 图1-8 一阶测温传感器解：频率响应特性幅频特性相频特性阶跃响应特性（3）二阶传感器的数学模型所谓二阶传感器是指由二阶微分方程所描述的传感器。很多传感器，如振动传感器、压力传感器等属于二阶传感器，其微分方程为：静态灵敏度阻尼比固有频率,0=1/ 阻尼比的影响较大，不同阻尼比情况下相对幅频特性即动态特性与静态灵敏度之比的曲线如图。2.42.22.01.81.61.41.21.00.80.60.40.200.511.522.5=0=0.2=0.4=0.6=1=0.8=0.707A() 当0时，在=1处A()趋近无穷大，这一现象称之为谐振。 随着的增大，谐振现象逐渐不明显。 当0.707时

26、，不再出现谐振，这时A()将随着的增大而单调下降。0-30-60-90-120-150-1800.511.522.5=0=0.2=0.4=0.6=0.707=0.8=1=0.8=1=0.707=0.6=0.4=0.2=0()相频特性 二阶传感器的阶跃响应特性 随阻尼比的不同，有几种不同的解：y/K210t=01.510.60.2单位阶跃响应通式=0(零阻尼)：输出变成等幅振荡，即 01(欠阻尼)：该特征方程具有共轭复数根方程通解根据t，ykA，求出A3；据初始条件 求出A1、A2则其曲线如图，是一衰减振荡过程, 越小,振荡频率越高,衰减越慢。y/K210t=01.510.60.21（过阻尼）：特征方程具有两个不同的实根过渡函数为：=1 (临界阻尼)：特征方程具有重根-1/,过渡函数为 上两式表明，当1时，该系统不再是振荡的，而是由两个一阶阻尼环节组成，前者两个时间常数相同，后者两个时间常数不同。 实际传感器， 值一般可适当安排，兼顾过冲量m不要太大，稳定时间t不要过长的要求。在0.60.7范围内，可获得较合适的综合特性。对正弦输入来说，当=0.60.7时，幅值